DE19826189C2 - Integrierter Kondensator für Schichtschaltungen und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Integrierter Kondensator für Schichtschaltungen und Verfahren zu dessen Herstellung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen integrierten Kondensator für Schichtschaltungen und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung. Derartige integrierte Kondensatoren für Schichtschaltungen sind allge­ mein bekannt.
Es werden Oberflächenkondensatoren:
  • a) in Dickschicht-, sowie
  • b) in Dünnschichtausführung verwendet. Weiterhin werden auch
  • c) hybridintegrierbare diskrete Kondensatoren eingesetzt. (siehe hierzu H. Reichl, "Hybrid-Integration", Dr. A. Hüthig Verlag, Heidelberg 1988, zu a): S. 94 ff, zu b): S. 308f, und zu c): S. 145 ff.)
Diese bekannten Bauelemente sind jedoch für Abblockaufgaben bei schnellen Schichtschaltungen bzw. Schichtschaltungen der Höchstfrequenztechnik, sogenannte MIC's (Microwave Integrated Circuits)nur bedingt geeignet. Solche Abblockaufgaben werden nach dem Stand der Technik derzeitig entweder:
  • a) mit diskreten Chipkondensatoren in Verbindung mit Durch­ metallisierungslöchern (Vias), bzw. auch
  • b) mit in die Schichtschaltung integrierten Oberflächenkon­ densatoren, verbunden mit entsprechenden Vias, welche die Masseverbindung herstellen, gelöst.
Für die Verarbeitung bzw. Übertragung sehr hoher Frequenzen (≧ 20 GHz) bzw. Bitraten (≧ 20 Gbit/s) ist es besonders wichtig, einen störstellenfreien bzw. störstellenarmen Schaltungsaufbau zu gewährleisten. Das kann bei Anwendung diskreter Chipkondensatoren nicht erreicht werden. Eine genaue geometrische Anpassung des Chipbauelementes an die MIC-Struktur ist, nicht zuletzt wegen des 3D-Aufbaus des Kondensators, nicht möglich. Es entstehen Stoßstellen, die Dämpfungen und Reflexionen zur Folge haben. Außerdem zeigen alle Kondensatoren Resonanzeffekte, d. h. ihre Impedanz wird bei wachsender Frequenz induktiv, die Höhe der Resonanzfrequenz ist dabei etwa die obere Grenzfrequenz für den Einsatzbereich eines Kondensators.
Ein etwas günstigeres Verhalten zeigen integrierte Oberflä­ chenkondensatoren aufgrund ihrer planaren Struktur und der Möglichkeit, ihre Geometrie in gewissen Grenzen nach höchst­ frequenztechnischen Gesichtspunkten auslegen zu können.
In den zum Stand der Technik aufgeführten Lösungsvarianten stellen jedoch auch die Vias starke Störstellen dar. Hier können unerwünschte Reflexionen entstehen. Auch wirkt sich der induktive Anteil dieser Durchmetallisierungen störend aus (siehe hierzu E. Pillai u. a., "Entwicklung äquivalenter Ersatzschaltbilder für Durchkontaktierungen im Frequenzbe­ reich 1-20 GHz", Proceedings: Mikrowellen und Optronik - 7. Kongreßmesse für Höchstfrequenztechnik, Sindelfingen 1993, S. 307-311).
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Mängel des Standes der Technik zu beseitigen und mit Hilfe eines integrierten Dünnfilmbauelementes Ab­ blockaufgaben in Mikrostreifenleiter-Schaltungen im Bereich sehr hoher Frequenzen (≧ 20 GHz) bzw. Bitraten (≧ 20 Gbit/s) derart zu lösen, daß nur noch vernachlässigbar geringe Stör­ stellen bzw. Reflexionen auftreten und die Resonanzfrequenz möglichst weit nach oben verschoben wird.
Diese Aufgabe wird mit einem integrierten Kondensator ent­ sprechend dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Aus- bzw. Weiterbildungsmöglichkeiten dieses integrierten Kondensators beschreiben die Kennzeichen der Unteransprüche 2 bis 4.
Ein geeignetes Herstellungsverfahren für einen solchen inte­ grierten Kondensator ist aus dem Kennzeichen des Patentan­ spruchs 5 ersichtlich.
In den Kennzeichen der Unteransprüche 6 bis 9 sind vorteil­ hafte Variationsmöglichkeiten des Verfahrens angegeben.
Mit der Erfindung werden der Abblockkondensator und das Via miteinander verknüpft und als integrierter Durchführungskon­ densator ausgeführt. Dadurch werden äußerst kurze Leitungs­ wege realisiert und deshalb der induktive Einfluß der Durch­ metallisierung minimiert. Gegenüber dem Stand der Technik wird somit eine wesentlich stoßstellen- und somit reflexions- und dämpfungsärmere Anordnung erhalten, deren Eigenresonanz zu deutlich höheren Werten hin verschoben ist.
Ein weiterer Vorteil ist der geringere Platzbedarf auf der Schichtschaltung. Auch ist man sehr flexibel bei der Wahl des Platzes auf der Schaltung und bei der geometrischen Ausfüh­ rung des Kondensators. Diese können den jeweiligen Gegeben­ heiten der Schaltung optimal angepaßt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Hierin zeigen:
Fig. 1 einen integrierten Kondensator im Querschnitt,
Fig. 2 den Verfahrensablauf zur Herstellung eines inte­ grierten Kondensators an einem Ausschnitt einer Mikrostreifenleiter-Schaltung.
Der in Fig. 1 gezeigte integrierte Kondensator ist in einem kreisrunden Durchgangsloch 3, das in einem Schichtschaltungs- Substrat 1 eingebracht ist, aufgebaut.
Er besteht aus einer Grundelektrode 6, die auf der Wandfläche 2 aufgebracht und über die erste Kante 4a hinaus und in einen ersten hinausreichenden Bereich 5a mündet, dem Dielektrikum 7 und einer Deckelektrode 8, die über die zweite Kante 4b hinaus in einen zweiten hinausreichenden Bereich 5b mündet.
In Fig. 2 wird der Herstellungsprozeß des integrierten Kondensators anhand der gezeichneten Phasen a bis k er­ läutert. Als Beispiel soll ein integrierter Durchführungs­ kondensator in ein Al2O3-Dünnfilmkeramiksubstrat 1 der Dicke 254 µm und dort in ein Streifenleiter-Strukturelement der Breite 250 µm gebracht werden.
Zu diesem Zwecke wird zuerst in Phase a ein Durchgangsloch 3a des Durchmessers d1 = 250 µm mit einem Laserschneidgerät, z. B. mit einem Excimerlaser, in das Substrat 1 an der gewünschten Stelle geschnitten. Dieses kann, wenn zu rauh, in Phase b geglättet werden, wobei sich der Durchmesser auf d2 = 300 µm vergrößert. Anschließend kann in der Phase c zunächst an der ersten Kante 4a eine Fase oder eine Rundung angebracht werden.
In der nachfolgenden Phase d wird einseitig von oben oder, wie in Phase e gezeigt, beidseitig eine Sputterschicht 9a, z. B. aus Cr/Au aufgebracht. Diese wird bei Phase e an der Unterkante des Durchgangsloches 3 durch Fase oder Rundung bzw. fotolithografisch/ätztechnisch unterbrochen.
Nach der Maskierung, entsprechend Phase f, mit einer Resist­ folie 10a, die nach dem Entwicklungsvorgang ein Streifenlei­ terstrukturelement 11 sowie eine im Durchmesser etwas ver­ ringerte Durchgangsloch-Kreisfläche freigibt, werden in der Phase g im galvanischen Aufbauverfahren das Streifenleiter­ strukturelement 11, die Grundelektrode 6 sowie die Masseflä­ che 12, unten, hergestellt. Dazu wird z. B. Gold aus einem zy­ anidischen Elektrolyten mit einer Dicke von 5 µm abgeschieden.
In der anschließenden Phase h wird das Dielektrikum 7, z. B. ein Polyimid, aufgebracht. Danach wird in der Phase i die Probe ein zweites mal beidseitig mit einer Sputterschicht 9b, z. B. aus Cr/Au, versehen.
In der letzten Phase k wird mittels Maskierung mit einer Resistfolie 10b die Deckelektrode 8 durch galvanische Ab­ scheidung, z. B. 5 µm Au, aus einem zyanidischen Elektrolyten hergestellt. Nach Entfernen der Restleitschicht von 9b ist der integrierte Durchführungskondensator, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, komplett.
In Abwandlung zu dem beschriebenen Herstellungsverfahren ist es auch möglich, die Grundelektrode 6 und die Deckelektrode 8 derart miteinander zu vertauschen, daß die Grundelektrode 6 Verbindung mit der Massefläche 12 hat und die Deckelektrode 8 mit dem Streifenleiterstrukturelement 11 verbunden ist.
Anstelle des Substratmaterials Al2O3-Dünnfilmkeramik sind auch andere für Höchstfrequenzen geeignete Trägermaterialien wie z. B. PTFE (Teflon) verwendbar.
Das Dielektrikum 7, das vorteilhaft Polyimid ist, kann auch aus anderen Materialien gebildet werden.
Anstelle von Cr/Au sind auch alle anderen geeigneten Leiter­ materialien anwendbar.
Die Polyimid-Dielektrikumsschicht 7 kann vorteilhaft durch Vakuumdurchsaugen eines aufgetragenen Polyimidlösungstropfens durch das Durchgangsloch 3 oder auch durch Transfer mit einem mit Polyimidlösung benetzten Draht geringfügig kleineren Durchmessers als das Durchgangsloch 3 mit jeweils an­ schließender Wärmebehandlung erzeugt werden.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen in Fig. 1
1
- Substrat
2
- Wandfläche
3
- Durchgangsloch
4
a - erste Kante
4
b - zweite Kante
5
a - erster hinausreichender Bereich
5
b - zweiter hinausreichender Bereich
6
- Grundelektrode
7
- Dielektrikum
8
- Deckelektrode
dazu in Fig. 2
3
a - Durchgangsloch - unbearbeitet
9
a - Sputterschicht a
9
b - Sputterschicht b
10
a - Resistfolie a
10
b - Resistfolie b
11
- Streifenleiterstrukturelement
12
- Massefläche

Claims (9)

1. Integrierter Kondensator für Schichtschaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß er auf der Wandfläche (2) eines Durchgangsloches (3) in einem Substrat (1) der Schichtschaltung aufgebaut ist und aus:
  • - einer ersten Metallbeschichtung (6), welche die Wandfläche des Durchgangsloches (3) bedeckt und einen über eine erste Kante (4a) des Durchgangsloches (3) hinausreichenden Bereich (5a) auf einer ersten Oberfläche des Substrats (1) aufweist, als Grundelektrode,
  • - einer isolierenden Schicht (7), welche die erste Metallbe­ schichtung (6) überdeckt, und dabei den über die erste Kante (4a) hinausreichenden Bereich (5a) freilässt, als Dielektrikum,
  • - einer zweiten Metallbeschichtung (8), welche die isolie­ rende Schicht (7), auf der einen Seite berührungslos ge­ genüber der ersten Metallbeschichtung (6), auf der anderen Seite überlappend und einen über die zweite Kante (4b) des Durchgangsloches (3) hinausreichenden Bereich (5b) auf der zweiten Oberfläche des Substrats (1) bildend bedeckt, als Deckelektrode, besteht.
2. Integrierter Kondensator für Schichtschaltungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Kanten (4a; 4b) in Form einer Fase oder Rundung ausgeführt ist.
3. Integrierter Kondensator für Schichtschaltungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er innerhalb eines Streifenleiterstrukturelementes (11) angeordnet und dieses mit einer der Metallbeschichtungen (6; 8) elektrisch leitend verbunden ist.
4. Integrierter Kondensator für Schichtschaltungen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die andere der Metallbeschichtungen (8; 6) mit einer Massefläche (12) elektrisch leitend verbunden ist.
5. Verfahren zur Herstellung integrierter Kondensatoren für Schichtschaltungen nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
  • - zuerst ein Durchgangsloch (3) in einem Substrat (1) der Schichtschaltung, vorzugsweise mittels Laserstrahl, erzeugt und erforderlichenfalls geglättet und entgratet wird,
  • - danach schichttechnisch, verbunden mit Strukturiertechnik
  • - eine erste Metallbeschichtung (6) für die Grundelektrode auf der Wandfläche des Durchgangsloches (3) und auf einem über eine erste Kante (4a) des Durchgangsloches (3) hinausreichenden Bereich (5a) auf einer ersten Oberfläche des Substrats (1) erzeugt wird,
  • - dann darüber lokal begrenzt mittels Beschichtungstechnik ein Dielektrikum (7) aufgetragen wird, das den über die erste Kante (4a) hinausreichenden Bereich (5a) der ersten Metallbeschichtung freilässt,
  • - abschließend eine zweite Metallbeschichtung für die Deck­ elektrode (8) schichttechnisch, verbunden mit Strukturier­ technik, auf dem Dielektrikum (7) erzeugt wird, die die erste Metallbeschichtung (6) nicht berührt und einen über die zweite Kante (4b) des Durchgangsloches (3) hinaus­ reichenden Bereich (5b) auf der zweiten Oberfläche des Substrats (1) bildet.
6. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung des Dielektrikums (7) im Durchgangs­ loch (3) ein Polyimid benutzt wird, das in flüssiger Form aufgetragen und anschließend wärmegetrocknet wird.
7. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrikumsschicht (7) durch Vakuumdurchsaugen einer lokal auf das Durchgangsloch (3) in dessen Zentrum aufgetragenen Lösung eines Dielektrikummaterials mit anschließender Wärmebehandlung gebildet wird.
8. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrikumsschicht (7) durch Transfer eines mit der Lösung eines Dielektrikummaterials benetzten Drahtes, der einen geringfügig kleineren Durchmesser als das Durchgangsloch (3) hat, und der durch das Durchgangsloch (3) hindurchgezogen wird, wobei sich dieser Film in das Durchgangsloch (3) überträgt, gebildet wird.
9. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrikumsschicht (7) durch Aufschleudern einer vorher auf das Durchgangsloch (3) aufgetragenen Lösung eines Dielektrikummaterials mittels Zentrifugal­ kraft radial in das Durchgangsloch (3) gedrückt wird und somit die Wandfläche (2) beschichtet.
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